泥沙起动条件分析及推移质输沙率公式

基于床面均匀泥沙颗粒相对位置关系,确定了瞬时作用流速及有效作用高度,建立了平坡泥沙起动条件与床面泥沙暴露度的关系.从理论上分析得到,泥沙跃移起动要求水流条件最高,滚动起动及滑动起动取决于泥沙颗粒的暴露角,且暴露角 θ 不随拖曳力系数CD和上举力系数CL的变化而变化.当暴露角 θ 小于42.8°时,泥沙更易于滚动起动;当...     

非均匀沙床面平衡浓度

根据近底非均匀沙交换的随机 力学模式首次从理论上建立起非均匀沙床面平衡浓度公式，将床面平衡浓度表示为起动、不止动和悬浮概率以及单步运动平均时间比B的函数关系。残差修正灰色系统模型和指数拟合关系用于悬移质平衡浓度竖向分布实测资料以获得床面平衡浓度值，据此确定理论公式中的参数B.床面平衡浓度计算与“实测”值比较结果令人满意，意味着本文提出的公式是合理的，可作为悬移质运动微分方程的底部边界条件。     

侧向水流作用下均匀沙休止角变化的试验研究

散体沙动水休止角是表征沙丘、沙洲等散体沙堆积体稳定形态的重要特征参数,在岸坡稳定分析、坝前冲刷漏斗形态研究中有着广泛的应用。采用室内试验的方法研究了侧向水流作用下不同粒径天然均匀散体沙水下休止角的变化规律。结果表明:在水流流速超过泥沙颗粒起动流速后,天然散体沙水下休止角随流速增大而减小,且减小的速度随着流速的进一步增加而更加迅速;相同流速条件下,粗颗粒泥沙的水下休止角大于细颗粒,其对流速变化的敏感度也低于细颗粒。基于侧向水流边坡上泥沙颗粒的受力分析,引入相对流速概念,初步建立了侧向水流作用下均匀散体沙动水休止角计算公式及其简化形式。     

泥沙颗粒水下休止角与内摩擦角差异化初步探索

根据目前的泥沙起动及水下休止角的相关研究,得出滑动起动与滚动起动模型的矛盾,进而对泥沙界广泛认同的泥沙颗粒水下休止角在数值上等于泥沙颗粒水下内摩擦角提出质疑。本文分别进行了泥沙颗粒水下休止角与内摩擦角的物理试验。试验表明:作为散粒体,泥沙颗粒的水下休止角在数值上小于泥沙颗粒水下内摩擦角。     

双峰型非均匀沙粗细颗粒相互作用对推移质输移的影响

为研究粗细颗粒间相互作用对非均匀沙输移的影响,采用推移质动态采集、图像识别和多普勒测速技术,实现了瞬时输沙量、颗粒组成与近壁脉动流速的实时同步监测。针对双峰型非均匀沙进行了211组推移质系列水槽试验,分析表明:推移质输移量与粗沙拣选度的随机波动与紊动猝发引起的流速脉动具有响应关系;推移质中细粒基本保持持续输移,而粗粒输移则具阵发性,并遵循促发、触发与失怙3种模式;颗粒组成结构对3种模式的实施过程有重要影响;它制约着泥沙中细粒对粗粒的激励、碰撞和解怙强度,使得推移质总沙、细沙和粗沙输移率随床沙组成的改变各自呈现出不同的变化规律;水流强度一定时,随床沙粗细比的减小,输沙率呈驼峰型曲线变化;只有适宜的粗细颗粒搭配(ηc)才能使非均匀推移质输沙率达到峰值,且大于该床沙组成中任一均匀沙的输沙率。     

非均匀沙推移质输沙率及其级配计算

本文根据水流功率理论,导出了非均匀沙推移质输沙率公式,并考虑了床沙运动的随机性及床面粗化对输沙率的影响;提出了推移质级配计算的公式。由非均匀推移质输沙率及其级配计算公式的计算值与作者、Samaga、Gilbert试验值及长江新厂(二)站、美国东汊河实测值吻合较好,并且能够用于均匀沙的推移质输沙率计算,具有广泛的通用性。     

一种塑料模型沙运动特性试验

对一种复合塑料模型沙的水下休止角、群体沉速、起动流速等运动特性进行了试验研究:使模型沙在静水中自然落淤成丘,通过几何关系可得水下休止角;将沙样按粒径分组进行单颗粒沉速试验,统计平均后再按质量加权得到模型沙群体沉速;在玻璃水槽中对5种水深下的泥沙起动流速进行了测量及经验公式验证。试验结果表明:该模型沙水下休止角为28.4°,较传统塑料沙、水下休止角范围大,具有较好的水下成形特性;对于该模型沙,其单颗粒沉速用W.W.Rubey公式计算精度较高,但群体沉速用中值粒径进行经验计算则精度不够,合理的代表粒径有待进一步研究;起动流速比传统塑料沙大,这与水下休止角试验是相符的,通过调整沙莫夫系数K,沙莫夫公式可较好地表述个别起动和少量起动的情况,大量起动时则不够精确。     

粗细化过程中的非均匀沙起动流速

本文对处于淤交替（粗化细化）过程下的宽级配非均匀沙起动特点进行了分析，文中首先探讨了均匀沙起动流速的表达方式，然后引入非均匀沙暴露高度和泥沙粒径的关系和研究成果，导出了宽级配非均匀沙分级起动流速的计算公式，通过实验资料检验符合良好。     

卷首语

正人才是科技事业发展的根本。中国水科院一直十分重视人才队伍建设,特别是"十三五"期间,实施人才强院战略,首次推行"五大人才"计划,即在全院实施创新领军人才和创新团队建设计划、三型人才培育计划(基础研究型、技术研发型、产品开发型)、新人助推计划、高层次人才引进计划、国际复合型人才培养计划。通过连续五年的稳定支持和人才分类评价,科研人员创新活力不断增强、优秀人才不断涌现,取得了丰硕的创新成果。     

颗粒形状及级配对粗颗粒土休止角的影响

为了准确且方便地测量粗颗粒土的休止角,研制了一种基于旋转容器法的粗颗粒土休止角测定仪。利用此装置,对2种粗颗粒土分别进行了15种级配下的休止角试验,并研究了颗粒形状和级配对粗颗粒土休止角的影响。试验结果表明:对于级配相同、颗粒形状不同的粗颗粒土,颗粒呈棱角状砾石料的休止角大于颗粒圆滑的卵石料,不同最大粒径下砾石料的休止角平均值比卵石料高1.3°~2.0°;对于颗粒形状相同、级配不同的粗颗粒土,休止角随最大粒径的增加而增大,最大粒径为20~40 mm时,休止角平均值增长曲线平缓,最大粒径为40~60 mm时,休止角平均值增长速率明显变快;休止角随平均粒径的增大而减小,随不均匀系数的增加而增大。     

砾卵石起动临界条件

阐述了砾卵石均匀沙的运动机理,通过对附加质量力和床面颗粒相对暴露度参数的引入,推得了均匀沙起动无因次拖曳力公式,并对公式中的系数进行了计算。结果表明,在起动状态一定时,该系数并非为一个常量,而是介于某个区间,且随颗粒在床面上的相对暴露度的变化而变。通过转化推得了散粒体均匀沙起动流速公式,同时考虑了砾卵石扁度的影响,其系数同样不是一个常量,同学者们的公式相对照较为合理,该系数包含了其它公式的系数。结论部分可以解释为何不同的作者通过实验所拟合的系数各异,且差别较大,说明文中公式基本能反映均匀沙的起动特性。     

基于Rouse公式的紊流区悬沙粒径级配垂线分布规律

基于Rouse公式及紊流泥沙沉速公式,分别推导得到了紊流时的悬沙粒径及级配垂线分布公式,前者直接量化了泥沙“上细下粗”的垂线分布规律,后者则可用于计算不同水层及垂线上总的悬沙粒径级配。通过实例,应用粒径级配计算公式得到了不同水层的悬沙粒径级配。结果表明:泥沙粒径“上细下粗”的分布规律明显;在越远离床面的水层,细颗粒所占的比重越大,粒径分布越均匀。当考虑悬浮高度影响时,以最大粒径悬沙的最大悬浮高度为界,该高度之下级配“等宽”,该高度之上级配“上窄下宽”。     

非均匀沙分组起动规律的研究

本文在分析了非均匀沙起动情况后，采用输沙率法和分组相对输沙率法判别非均匀沙起动如果用其平均粒径d。来表示非均匀沙，则起动切应力和相同粒径的均匀沙近似，分组起动情况小颗粒由于受大颗粒的隐蔽作用鞍同等粒径的均匀沙需要较强的水流条件．相反大颗粒由于受暴露的影响比相同粒径的均匀沙容易起动．各粒径组的起动切应力可用公式(11)求出，     

无粘性非均匀沙的起动

在非均匀煤屑起动试验的基础上，对非均匀沙粗化过程中的起动作了探讨。推导出同时反映隐蔽和暴露作用的非均匀沙起动流速计算式，并进行了验证。该式还可自动退化为均匀沙起动流速的计算式。     

Probability model for gravel sediment entrainment in turbulent flows

This paper reports a stochastic model for the prediction of rollover movement probability of gravel particles in turbulent flow. The model is based on the data of a Direct Numerical Simulation of turbulent flow over a rough bed, which is represented by one layer uniform sphere particles. The locations of effective drag and lift forces are explored, as well as the ratio of drag and lift coefficients. The comparison between rollover and pickup probability models indicates that pickup model is valid for cases of critical shear stress less than 0.1 while rollover model works for critical shear stress larger than 0.1. Thus it is reasonable to take into consideration of both of the two models to predict sediment transport behavior in turbulent flows, especially for fluvial rivers which contain different kinds of sediment particles.     

EXPERIMENTAL STUDY ON BED RESISTANCE CHARACTERISTICS OF NONUNIFORM SEDIMENT

1.　 INTRODUCTIONThe resistance characteristics of a fluvial river are in close relation with the dischargeand sediment-carrying capacity of the flow and it is a basic problem of river dynamics.Un-der natural circumstances,the bed of a fluvial river is composed of nonuniform sediment.Bed material size and nonuniform property are important factors affecting bed roughnesswhich is the most importantfactor of surface resistance.Early studieson bed resistance characteristicswasfocused on unifo…     

粗化床面非均匀沙推移质运动扩散特性研究

对泥沙颗粒运动规律的把握是准确估算推移质输沙率的基础.本文开展了粗化床面条件下的水槽试验,分析了非均匀沙颗粒的均方位移和速度自相关系数变化,并与已有均匀沙试验进行了对比.结果表明,粗化床面存在着由单个或多个粗颗粒组成的粗化结构体,形成比平整床面更复杂的底部边界,粗化结构体对泥沙颗粒运动造成较大影响,颗粒在运动过程中与水...     

基于二维泥沙颗粒的相对隐蔽度初步研究

绝对隐蔽度和相对隐蔽度是泥沙颗粒隐蔽度研究中的2大派别。针对韩其为定义的二维泥沙颗粒相对隐蔽度,给出了统计意义上的宽级配非均匀沙颗粒相对隐蔽度的计算式,对该式的物理意义进行了讨论,并提出了基于泥沙相对隐蔽度的宽级配非均匀沙中“大颗粒”、“小颗粒”、“中等颗粒”的概念。     

A STUDY ON NONEQUILIBRIUM TRANSPORT OF NONUNIFORM BEDLOAD IN STEADY FLOW

In the case of steady flow, an equilibrium state for an alluvial reach referring tothe input of sediment over a sufficiently long time (time interval in the order of months) is equalto the output of sediment. A nonequilibrium state exists under steady flow when the sedimenttransport rate changes with time and space, so that there is no balance between input and outputof sediment. The experiments were performed in an open circuit tilting flume with the bed slope of 0.001-0. 009, the flume length of 30m and flume width of 0. 5m. The boundary condition atupstream and in all experiments, the rate of sedimant supply was zero. The coal or sand was se-lected as the Wed material. The grain diameter of the bed material varied in the range of 0.05-20. 00ram. The equation of nonequilibrium transport of nonuniform bedload is derived. Thegrain distribution of the size distribution of bedload is calculated by modified Gessler's formula.The grain size distribution of bed material is calculated by CARICHAR mixed layer model. These equations are applied to numerical simulation of armoring of riverbeds. The results ofthe bedload transport rate and the grain size distribution of the bedload at the end of the down-stream in the process of time, as well as the grain size distribution of the bed material in the pro-cess of time and distance are all in close agreement with the measurements.     

当卡水电站下游局部冲刷三维数值模拟研究

为预测闸坝下游局部冲刷坑形态和发展,基于Fluent动网格技术对当卡水电站下游局部冲刷进行了三维数值模拟。采用VOF水-气界面追踪方法来处理闸坝下游冲刷坑内复杂的自由液面,将床面瞬时剪切应力作为泥沙起动及运输的水动力学条件,计算出不同方向上床底泥沙单宽体积输沙率,以此为基础得到河床高程坐标的瞬时变化;采用改进的泥沙起动临界剪切应力计算公式,有效地避免了床面坡度接近泥沙休止角时造成的输沙率数值计算的异常;采用弹簧光顺模型及局部网格重构模型实现了闸坝下游局部冲刷坑的三维演化过程。通过分析对比冲刷坑最终形态表明,数值模拟值与模型试验实测值吻合良好,说明数学模型计算准确,结果可信。